為嵌入式軟件建立統(tǒng)一軟件系統(tǒng)框架的方法詳介

嵌入式系統(tǒng)硬件與軟件發(fā)展的不平衡

嵌入式系統(tǒng)是整合了計算機硬件和軟件的集合體，它是通過可編程器件的計算和控制能力完成特定功能的系統(tǒng)。越來越多的嵌入式系統(tǒng)要求有連接網(wǎng)絡、多媒體信息處理和無線移動通信的能力。然而，飛速發(fā)展不斷有突破的嵌入式系統(tǒng)硬件技術(shù)與相對發(fā)展較慢的軟件技術(shù)形成明顯對比。

認為摩爾定律很快會遭遇物理極限的預測不斷被突破，半導體工藝正在向納米級進軍，使計算器件集成度更高、速度更快、體積更小、功耗更低。隨著系統(tǒng)芯片(SoC)技術(shù)的發(fā)展和成熟，越來越多的嵌入式系統(tǒng)將采用硅知識產(chǎn)權(quán)(SIP)，利用ASIC或半定制器件(FPGA/CPLD)技術(shù)把CPU核和外圍器件整合到一個芯片中。這將極大的提升硬件系統(tǒng)設計的靈活性、可靠性，以及提高硬件開發(fā)的速度和降低系統(tǒng)的成本。

硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和體系
結(jié)構(gòu)的不斷改進，在很長一段時間內(nèi)對嵌入式系統(tǒng)軟件工程師而言,似乎并未產(chǎn)生很大影響，他們?nèi)匀谎赜脗鹘y(tǒng)的軟件設計方法和調(diào)試方法。近幾年，隨著硬件復雜性的增加和對系統(tǒng)功能和性能需求的大幅度提高，特別是要求系統(tǒng)具有靈活方便的網(wǎng)絡連接、輕巧節(jié)電的無線移動和功能強大的多媒體信息處理等能力，使軟件開發(fā)工作量急劇增長，甚至可以占到全部工作的70~80%以上。這樣的系統(tǒng)不再是單槍匹馬可以完成的，需要集合一個開發(fā)團隊協(xié)同工作才能完成。嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)，越來越成為制約嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的瓶頸。

嵌入式系統(tǒng)軟件的特點及其開發(fā)途徑

嵌入式系統(tǒng)軟件從簡單到復雜可以千差萬別，天地懸殊。雖然它們結(jié)構(gòu)相對簡單，但是不同系統(tǒng)對不同的性能往往有特定的要求，有的要求非常苛刻和嚴格。對簡單系統(tǒng)可以用傳統(tǒng)方法，從底層用匯編語言編寫程序，利用在線仿真器(ICE)、在線調(diào)試器(ICD)等開發(fā)工具進行調(diào)試軟件。但是對那些復雜的嵌入式系統(tǒng)，特別是有多個控制環(huán)路、并需要在優(yōu)化級可控的情況下能預測其運行狀態(tài)時，不利用實時操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺進行開發(fā)，是很難或者幾乎不可能達到預定要求的。

利用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺開發(fā)嵌入式系統(tǒng)軟件，往往需要針對不同的硬件編寫實時操作系統(tǒng)內(nèi)核移植代碼。通過編譯、鏈接、定址將操作系統(tǒng)映像固化到(EP)ROM或者Flash(閃存)中。

對于大的開發(fā)項目，可以購買商業(yè)化的實時操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)套件，甚至將軟件開發(fā)外包給一些專業(yè)的嵌入式軟件開發(fā)商，但是這需要投入少則幾萬，多則上百萬元人民幣購買軟件，有些還需要對開發(fā)出來的每一件產(chǎn)品再繳納相應的授權(quán)使用費。對于更多大量的小項目而言，顯然不能走這條路，使用源代碼開放的嵌入式操作系統(tǒng)才是合適的選擇。

軟件編程接口規(guī)范和標準化

硬件器件與軟件模塊相比，具有很高的可置換性，這是因為硬件器件的功能特性、電氣特性、機械特性等都有明確的定義，這種組件單元標準化的特點是硬件技術(shù)的發(fā)展始終快于軟件發(fā)展的原因。在軟件技術(shù)方面，中間件和面向?qū)ο蠹夹g(shù)在一定程度上正是類比硬件而發(fā)展起來的，然而還遠未成熟，至今在嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)中還沒有能真正地使用起來。

在傳統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件開發(fā)時代，代碼的可重用性極差，系統(tǒng)的開發(fā)極大程度地依賴于軟件編程人員的編程技巧。這是因為軟件開發(fā)的靈活性造成的。只要正確的使用編程語言和軟件開發(fā)工具，不同的軟件設計人員對于同一種需求會開發(fā)出不同的軟件。正是這種靈活性，導致了很多的軟件不具有移植性。

軟件要具有優(yōu)良的體系結(jié)構(gòu)和良好的移植性，必須將開發(fā)的操作系統(tǒng)納入一個嚴格定義的框架。至少需要考慮以下幾個方面： 高級語言和將匯編語言模塊化—為了使系統(tǒng)具有高的可移植性，盡量使用C或者Embedded C++來開發(fā)系統(tǒng)軟件。

模塊化——將系統(tǒng)功能分成模塊。模塊設定的合理方法是：根據(jù)硬件能力，自下而上的綜合。

提供標準接口—提供了POSIX 1003.1規(guī)范的操作系統(tǒng)就具有了UNIX系統(tǒng)的標準接口。Linux和QNX就是實現(xiàn)了POSIX規(guī)范的操作系統(tǒng)。符合軟件應用編程接口(API)規(guī)范，就可以比較容易地移植UNIX系統(tǒng)的應用軟件。

嚴格的體系結(jié)構(gòu)層次——按層次劃分，依次是應用軟件→操作系統(tǒng)→功能級抽象→寄存器級抽象→硬件。其中，寄存器級抽象層(rHAL)直接與硬件相關(guān)，它封裝微控制器和外圍設備的寄存器接口及其行為。一般而言，它需要定義完整的寄存器序列名稱。功能抽象層(fHAL)封裝硬件的功能行為，通常把其定義成若干可以執(zhí)行命令的函數(shù)。

軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

運行于特定硬件平臺的操作系統(tǒng)是系統(tǒng)資源的管理者，作為軟件的操作系統(tǒng)也是系統(tǒng)資源的使用者。操作系統(tǒng)內(nèi)核是一個自治的軟件環(huán)境，不依賴于任何其他的軟件模塊。內(nèi)核通常提供進程調(diào)度(SCHED)、內(nèi)存管理(MM)、文件系統(tǒng)(FS)、進程間調(diào)用(IPC)和網(wǎng)絡(NET)等功能模塊。這些模塊之間相互有不同程度的依賴關(guān)系。其中進程調(diào)度和內(nèi)存管理處于核心地位，反映了操作系統(tǒng)對計算機主機資源的管理。另外，文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的信息中心，反映了操作系統(tǒng)對計算機存儲介質(zhì)的管理。操作系統(tǒng)往往把計算機的外部設備映射到文件系統(tǒng)，利用統(tǒng)一的文件系統(tǒng)訪問接口實現(xiàn)對外部設備的訪問。進程間調(diào)用和網(wǎng)絡通常是可選模塊。

體系結(jié)構(gòu)的各層之間有不同的功能和責任。寄存器級封裝反映了實現(xiàn)同一個功能可用不同的元器件。針對不同的芯片要編寫合適的驅(qū)動程序。這些驅(qū)動程序一般不具有可移植性，因為它們是同級，實現(xiàn)對不同器件的功能級接口。例如，NE2000成為以太網(wǎng)事實的接口標準，兼容NE2000的以太網(wǎng)控制器，可以使用NE2000驅(qū)動程序，而不一定要開發(fā)專門的驅(qū)動程序。如果是不兼容的以太網(wǎng)控制器，寄存器的布局和命令會有不同，并無法映射寄存器。折衷的辦法是梳理出功能級抽象層所必需的基本操作，建立功能級的實現(xiàn)框架。針對不同的硬件，使用同一種實現(xiàn)框架可以保證功能級抽象的質(zhì)量，并且可以提高移植的效率。

結(jié)語

縱觀軟件的發(fā)展，從批處理到面向過程的編程，到面向?qū)ο蟮木幊?，再到面向框架的編程，體現(xiàn)了需求的拉動和技術(shù)的發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)正經(jīng)歷一個快速發(fā)展階段，嵌入式系統(tǒng)硬件技術(shù)的發(fā)展已超過了軟件技術(shù)。軟件技術(shù)的滯后，造成了軟件的高成本和低開發(fā)效率，這已成為制約嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。只有建立統(tǒng)一的清晰的操作系統(tǒng)層次的標準接口，實現(xiàn)軟件構(gòu)件的可重用性，才能夠大幅度提高嵌入式系統(tǒng)的軟件的開發(fā)效率。


參考文獻：
1 Red Hat Inc. ‘eCos Reference Manual.’ www.redhat.com.
2 ARM Limited. ‘ARM Firmware Suite Version 1.3 Reference Guide.’ www.arm.com.
3 Labrosse. J. J., 邵貝貝譯.‘ mC/OS-II, The Real-Time Kernel. ’清華大學出版社.